近年來，虛擬儀器技術在航空、航天、航海、通信、汽車、半導體、生物醫(yī)學等眾多領域得到了廣泛應用，從簡單的儀器控制、數據采集到尖端的測控和工業(yè)自動化，從大學實驗室到工業(yè)現場，從探索研究到技術集成，可以發(fā)現虛擬儀器技術應用的很多實例。國內外學者對此作了很多的研究工作，也發(fā)表了不少相關文章或論文，但在運動控制方面，卻探討的不多。因此，筆者想就虛擬儀器技術在步進電機控制系統(tǒng)中的應用，談談自己的一些初步探討和體會。

一、虛擬儀器與運動控制

1.虛擬儀器與圖形化編程語言-LabVIEW

　虛擬儀器（即VirtualInstrument，簡稱NI）是一種基于計算機的儀器，就是在通用計算機上加上軟件和（或）硬件，使得使用者在操作這臺計算機時，就象是在操作一臺他自己設計的專用的傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術的出現，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式，虛擬儀器技術給用戶一個充分發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。用戶（而不是廠家）可以隨心所欲地根據自己的需求，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應用需求。

　虛擬儀器系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術相結合的產物。它利用PC計算機強大的圖形編程環(huán)境和在線幫助功能，結合相應的硬件，快速建立人機交互界面的虛擬儀器面板，完成對儀器或設備的控制、數據分析與顯示，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價格，使用戶可以根據自己的需要定義儀器的功能，方便地對其進行維護、擴展、升級等。

　LabVIEW是美國NI公司利用虛擬儀器（virtualinstnlments）技術開發(fā)的32位，主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。LabVIEW同時也是一一種功能強大的圖形編程語言，但它與傳統(tǒng)的文本編程語言（如c語言）不同，采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式，因此也被稱為G語言（graphicallanguage）。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專業(yè)的工程師快速編制程序。LabVIEW也不同于傳統(tǒng)文本式的編程語言的順序執(zhí)行方式，而是采用了數據流的執(zhí)行方式，這種方式要求程序僅在各節(jié)點已獲得它的全部數據后才執(zhí)行。

　多任務并行處理一般是通過多線程技術來實現的，不同的任務實際上通過各自的線程輪流占用CPU時間片來達到“同時”處理的目的。LabVIEW也采用了多線程技術，而且與傳統(tǒng)文本式的編程語言相比，有兩大優(yōu)點：LabVIEW把線程完全抽象出來，編程者不需對線程進行創(chuàng)建、撤銷及同步等操作；LabVIEW使用圖形化的數據流的執(zhí)行方式，因此在調試程序時，可以非常直觀地看到代碼的并行運行狀態(tài)，這使編程者很容易理解多任務的概念。

　LabVIEW圖形化編程語言有效地利用了當今圖形用戶接口的點擊特性。編寫程序只包含以下的一些簡單步驟：

?。?）用鼠標選擇儀器函數作為對象；收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，步進電機由于具有轉子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，成了控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件之一。步進電機的控制方法包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。

二、基于虛擬儀器的步進電機控制系統(tǒng)整體結構與原理

　一般運動控制系統(tǒng)主要由五部分構成：被移動的機械設備、運動I/O的馬達（伺服或步進）、馬達驅動單元、智能運動控制器、以及編程/操作接口軟件。

　本系統(tǒng)的目標是利用筆者實驗室已有美國國家儀器公司（NI）的NIPCI7354伺服/步進運動控制卡及其配套軟件、NI7604伺服/步進驅動器及其配套軟件、兩相步進電機、LabVIEW軟件、多軸精密電移臺（負載）、PC機等構建一套步進電機運動控制系統(tǒng)，分別實現單軸、兩軸、三軸和
四軸的運動控制，要求系統(tǒng)具有數控系統(tǒng)的基本功能，能實現不同坐標系下的直線、圓弧插補、速度控制、電子傳動等功能，以供實驗教學應用。系統(tǒng)整體結構框圖如圖1示。

1.NIPCI7354運動控制卡

　NIPCI7354控制卡可同時控制包括交流和步進電機的4軸運動，能實現諸如點到點位置控制、速度控制、三維直線、圓弧、螺旋型和球形運動、電子傳動、混合運動、回程和限位控制、Trigger輸入和Breakpoint輸出等功能。NIPCI7354的嵌入式固件是基于RT0S（實時操作系統(tǒng)）內核的，實時性強，通過簡單易用的運動控制器、軟件、以及外設提供集成方案的功能與能力，為一般伺服與步進應用提供精確、高性能的運動功能。該運動控制器可以使用支持Windows2000/NT/Me/xp操作系統(tǒng)的LabVIEW、MeasurementStudio（LabWindows/CVI、VisualBasic）以及C/C++進行編程。

　NIPCI7354運動控制卡是高性能PCI步進/伺服控制器，可用于所有運動控制系統(tǒng)中，控制器采用先進的技術，在嵌入式實時運動或者以主機為中心的編程環(huán)境中提供混合運動軌跡控制和完全協(xié)同的圓形、線性、點到點、齒輪和空間矢量控制。其豐富的功能可以滿足最為嚴格的要求。

　NIPCI7354運動控制卡的主要特點：通過PCI總線與主機（上位機）通信；68芯VHDCI輸出電纜；普通數字輸出電壓：0-32V；高電平3.5——30V，低電平0—2V；最大脈沖速率：100KHZ；運行電流：3-14mA；觸發(fā)輸出最大脈沖速率：1MHz；

2.運動控制軟件

　利用NILabVIEW圖形化編程語言以及各種應用軟件可以開發(fā)功能強大的運動控制程序，運動控制器配備NI-Motion驅動軟件提供的LabVIEWVI、固件更新程序、DLL程序，可以利用其它開發(fā)工具（比如MeasurementStudio，LabWindowsCVI）或其它編程語言開發(fā)運動控制應用。NI運動助手（MotionAssistant）是一個采用LabVIEW代碼生成方法的附加工具，運用該工具您只需進行極少編程甚至無需編程即可開發(fā)LabVIEW運動控制應用。

3.NI7604驅動器

　NI7604驅動器將NI7354提供的四軸運動控制信號放大，以驅動兩相步進電機運轉，帶動精密電移臺運動。該驅動器將運動控制器與特定應用馬達、編碼器、限位器、用戶I/O連接在一起。一根控制電纜連接運動控制器與驅動器，為全部的命令集與反饋信號提供一個通道。

　NI7604的主要特點：輸入電壓：115V/23V，2/1A，60/50Hz；步進放大器：IM481H；每相電流：0.2—1.4A；電源連續(xù)輸出容量：80W；輸入電纜：68芯VHDCI型；輸出電壓：24VDC；+5V輸出：1A。

4.運動控制外設

　兩相步進電機4臺，四軸精密電移臺一套，電移臺是滾珠絲杠/螺母驅動結構。系統(tǒng)原理圖如圖2示。

三、系統(tǒng)工作原理

　通過上位機（PC機）的數據終端設備設置步進電機的目標位置、加速度、速度和減速度（即發(fā)出運動控制任務），NIPCI7354運動控制卡根據設置信息控制電機的運動時間（輸出脈沖個數）和方向，即控制卡完成實時運動規(guī)劃，NI7604驅動器放大脈沖信號以驅動電機運轉。

　在電機運行過程中，控制脈沖的頻率f應隨時變化以滿足電機低速起停及高速運行的需要。脈沖頻率由發(fā)送數據的波特率（B）決定，每發(fā)出一個脈沖需用兩個二進制位1和0來構成其高、低電平，所以f＝B/2，通過調整發(fā)送數據的波特率可改變所發(fā)出的控制脈沖的頻率。按常規(guī)波特率系列發(fā)送數據時所產生的控制脈沖頻率變化較大，不能滿足電機正常起停及調速的要求，為此計算機需按非標準的波特率發(fā)送數據以產生任意頻率的控制脈沖。一般在電機起動及停止階段每發(fā)送一個字節(jié)調整一次波特率，以使電機起停得盡量平滑。

四、軟件研究與實現

　在系統(tǒng)硬件環(huán)節(jié)構建完成后，先后逐步完成了單軸直線運動控制、兩軸平面運動控制、三軸空間運動控制系統(tǒng)的軟件研究與開發(fā)。

　控制軟件利用LabVIEW7這種虛擬儀器軟件開發(fā)平臺設計，每個程序分為前面板和框圖程序兩部分。前面板用于設置控制參數和顯示控制過程及結果，框圖程序是程序的代碼。兩軸平面螺旋運動前面板如圖3示，兩軸平面螺旋運動框圖程序（局部）如圖4示。

　三軸空間運動的前面板和框圖程序（局部）分別如圖5、圖6所示。

五、結語

　實驗效果表明，該步進電機控制系統(tǒng)性能良好，工作可靠。配上多種功能的人機界面后可以實現位置（起點和目標點）、速度、加速度、減速度等的可視化操作和控制，通過改變在線改變負載的目標位置，可以實現位置的精確定位控制，通過在線調整速度和加/減速度的值，可以達到快速調速的目的。目前實現了開環(huán)多軸控制，鑒于步進電機的閉環(huán)控制，筆者計劃進一步研究步進電機閉環(huán)控制的多軸運動控制系統(tǒng)。